高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究

0∆x
× [Exn (k + 1) − Exn (k)] . (16)
对于泊松方程和粒子的连续性方程式, 时间和
空间微分均采用
∂f (qi ) = f (qi+1) − f (qi−1)
∂q
2∆q
和
∂2f (qi ) ∂q2
=
f (qi+1)
− 2f (qi ) + (∆q)2
f (qi−1)
上述方程 (7) 中的 Dα 和方程 (9) 中的 Rαj 均与 电子的能量密切相关, 而在高功率微波与等离子体
相互作用过程中, 电子的能量主要由其与电场的
相互作用决定, 即可以认为电子能量由电场强度决
定. 而电子能量与电场之间的关系, 可以用波尔兹
曼方程来表征
∂f
e
∂t + υ · ∇f − m E · ∇υf = C[f ],
∂nα/∂t + ∇ · Γα = Sα, (连续性方程),
(6)
Γα = ±µαnαE−∇(nαDα),
(漂移扩散近似下的流量方程),
(7)
∇ · (ε∇ϕ) = −e(Zi ni − n e ), (泊松方程), (8)
其中, e 和 Zi e 为电子和离子电量, nα, Γα, µα, Dα 以及 Sα 分别对应 α 粒子的浓度、流量、迁移率、扩 散常数以及源项, α 粒子包括电子、各种离子以及
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 9 (2014) 095202
高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究∗
袁忠才 时家明†
(脉冲功率激光技术国家重点实验室, 电子工程学院, 合肥 230037) ( 2013 年 10 月 23 日收到; 2013 年 11 月 27 日收到修改稿 )
的离散方法, 从而时间、空间交叉构成时域有限
差分.
4 结果分析
以气压 1 Torr, 10 Torr (1 Torr = 1.33322×102 Pa), 温度 300 K 的 Ar 等离子体为例, 并考虑到等 离子体密度的初始分布对其在高功率微波脉冲作 用下的时间演变过程有显著影响, 我们考察了两种 初始密度分布, 即均匀分布和沿等离子体层中心对 称的抛物线分布, 主要是考虑到前者是研究等离子 体与电磁波相互作用时最常见的一种情况, 而后者 与低气压放电装置中沿与放电腔垂直的方向等离 子体密度分布一致. 在上述条件下, 得到初始时刻 以及不同高功率微波传播时间下等离子体密度的 分布.
带电粒子累积所产生的场). 源项 Sα 表征了在各种
过程 (如电离、复合等) 中 α 粒子的产生和湮没, 有
∑
Sα = cαj Rαj ,
(9)
j
其中 Rαj 为过程的反应率, 由反应率系数和反应物 浓度共同决定; cαj 为 α 粒子在 j 反应中化学计算 系数.
在一维坐标下, 由 (7) 式可以进一步得到
2 基本原理
考虑一高峰值微波脉冲作用在等离子体上, 当 其在等离子体中传播时, 会在等离子体中产生出传 导电流密度 J, 从而导致电子的焦耳加热率 J · E. 电子从电磁脉冲中吸收的能量, 除一部分通过碰撞 传递给中性气体分子外, 很大一部分转换为电子的 温度, 从而使得电子温度急剧升高、能量增大.
为此, 我们建立了描述电磁波传播的波动方 程, 表征等离子体的流体力学方程以及考察入射场 对带电粒子温度、反应速率、迁移率以及碰撞频率 等影响的波尔兹曼方程, 利用考察色散媒质的时域 有限差分方法交互地求解上述三个耦合方程, 从而 获得高功率微波入射条件下等离子体电子密度、碰 撞频率以及微波传输特性的变化.
这些高能电子的存在会对电磁脉冲的传播带 来两个方面的影响: 一方面通过碰撞电离中性气体 分子, 形成电子雪崩效应, 增大等离子体密度, 从 而增强对电磁脉冲的反射; 另一方面, 电子温度的 改变会导致等离子体电子碰撞频率变化也会对后 续时刻的电磁脉冲在等离子体中的传输特性造成 影响.
下面, 首先建立等离子体中的波动方程, 用于 分析各种等离子体参数对波传播的影响; 然后, 在 偶极扩散的假设下, 建立等离子体的流体方程, 用 于分析等离子体电子密度随时间的变化; 同时, 利 用波尔兹曼方程, 分析强电磁脉冲对电子的加热效 应, 考察由此所引发的等离子体中各种反应过程速 率、带电粒子迁移率和扩散系数以及等离子体碰撞 频率的变化; 进而分析相关变化对电磁脉冲传播带 来的影响.
耗的介质, 并利用各区域场的展开和边界条件来求 解波动方程, 而等离子体作为一种色散媒质, 上述 处理会导致一定的误差. Anderson 等利用微波放 电时带电粒子加热与吸收微波功率之间的热平衡 关系来求解微波击穿阈值等特征参数, 但是他们在 计算过程中设定带电粒子的扩散系数等参数与场 强大小无关, 同时认为电离频率的变化与入射场强 的平方成正比 [12−14]. 而在 Tang 等和周前红等的 研究中, 设定电离频率的变化直接与入射场强或相 对场强的 5.33 次方成正比 [15,16]. 通过与其他文献 的比较 (如文献 [17, 8—10]) 可以看出, 这些假设只 能在很小的范围内适用, 通常等离子体电离率、复 合率、迁移率等随入射场强的变化较为复杂, 应通 过碰撞截面或求解波尔兹曼方程来获得.
Γα
=
±µαnαE
−
∂(nαDα) . ∂x
(10)
将 (10) 式代入 (6) 式, 可得到
∂nα/∂t
=
Sα
∓
µαE
∂(nα) ∂x
+
∂
2(nαDα ∂x2
)
.
(11)
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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 9 (2014) 095202
2.3 波尔兹曼方程
在考察等离子体与电磁波的相互作用时, 采用 了非磁化等离子体的 JEC-FDTD 算法 [19]. 电场分
量和电流密度分量的迭代方程为
Exn+1
=
Exn
−
∆t ε0∆x
( Hy(n−1)/2
−
) Hy(n+1)/2
−
∆t ε0
Jx(n+1)/2,
(14)
Jx(n+1)/2 = exp(−v∆t)Jx(n−1)/2
对上述方程组, 我们采用数值离散的方法求 解. 首先, 将所考察的物理空间划分成一系列离散 的、用有限网格点限定的区域; 然后, 在每一个时间 步和离散的空间点/区域, 利用一系列描述在计算 区域内不同点上各种物理变量的方程来近似原来 的偏微分方程组. 这一离散过程将产生大量的代数 方程, 从而可利用数值方法求解.
关键词: 等离子体, 高功率, 电磁防护, 时域有限差分 PACS: 52.25.Os, 52.40.Db
DOI: 10.7498/aps.63.095202
1引 言
作为一种新概念武器, 高功率微波和电磁脉冲 已经严重威胁到电子设备的安全 [1,2]. 为此, 近年 来有人提出利用等离子体的吸波特性, 用其来进行 电子设备的电磁脉冲防护 [3−6]. Macheret 等对于 在高重复频率纳秒高功率微波脉冲作用下空气的 放电特性进行了实验研究, 证实了受入射场的影响 等离子体电子温度明显升高, 从而非线性效应变得 显著 [7]. Bonaventura 等对于高功率微波脉冲导致 的 N2 等离子体参数变化进行了系统研究. 首先通 过求解波尔兹曼方程得到了 N2 等离子体电离率、 复合率、迁移率等随入射场强的变化 [8]; 然后通过 数值模拟的方法得到了等离子体电子密度随入射 场强的变化, 并分析了由此导致的微波脉冲传输特 性的变化 [9]; 最后通过实验研究了微波放电中密度 的时间变化特征 [10]. Liu 等理论分析了利用高功 率微波击穿空气的阈值, 同时进行了初步的实验研 究 [11]. 但是, 他们在进行微波脉冲与等离子体相互 作用的数值仿真时, 将等离子体视为一种具有电损
(12)
其中 f 为电子在坐标、速度六维空间的分布函数, υ
为速度, ∇υ 是速度梯度算子, C[f ] 表征由于碰撞 导致的 f 的变化率.
对波尔兹曼方程的求解通常基于电子速度分
布函数的 Legendre 多项式展开. 当在外电场的作
用下, 等离子体中电子分布函数是各向异性的, 因
此在进行 Legendre 多项式展开时必须考察许多项,
尤其是对于非稳态的情况. 求解精确的波尔兹曼方
程的时间相关多项式解始于 20 世纪 90 年代早期,
但较严格方法的应用通常较为复杂, 因此常采用二
项式近似或有效场近似的简化方法. 当场频率处于
吉赫兹或更高时, 二项式近似是合理的. 这时分布
函数 f 可以展开为
f (υ, cos θ, x, t)
= f0(υ, x, t) + f1(υ, x, t) cos θ,
(13)
其中 f0 是 f 的各向同性分量, f1 是各向异性扰动 项. 这时, 利用分布函数能得到扩散系数、反应系数
以及碰撞频率等参数, 具体计算方法可进一步参考
文献 [8, 18].
3 数值求解方法
在 上 述 方 程 中 波 动 方 程、带 电 粒 子 的 传 输 方 程、波尔兹曼方程相互耦合, 形成一个方程组; 结合 一定的时间和空间的边界条件和初始条件, 可以求 出方程组的解, 从而得出带电粒子密度、能量以及 场的时空分布.
频率, 这是等离子体的两个特征参数, 可以通过求
解等离子体的流体方程得到.
2.2 等离子体流体方程
下述方程 (6)—(8) 构成了一个在忽略磁场效 应条件下进行低温等离子体模拟的典型方程组. 这 里仅给出了针对电子和单一种类离子的方程, 对于 其他的粒子种类可以用相同的方法加以考察. 通常 认为离子保持着与中性气体相同的温度, 因此不需 解其能量平衡方程.